量子计算机有望在许多领域取得巨大进步——从密码学到蛋白质折叠模拟。然而，哪种物理系统最适合构建底层量子比特仍然是一个悬而未决的问题。与计算机中的常规比特不同，这些所谓的量子比特不仅可以取值0和1，还可以取两者的混合。虽然这可能使它们非常有用，但它们也因此变得非常不稳定。

解决这个问题的一种方法是利用拓扑量子比特来编码空间排列的信息。与其他构建方法相比，这种方法可以为计算提供更稳定和抗错误的基础。问题是，至今还没有人确切地发现一个拓扑量子比特。

来自奥地利、哥本哈根和马德里的研究人员组成的一个国际团队，该团队由奥地利IST纳米电子学小组的Marco Valentini领导。他们研究了一种被预计能产生Majorana零能量模式（这是拓扑量子比特的核心要素）的装置。他们发现这种模式的有效信号实际上可能是一个错误的信号。

半个电子

这个实验装置由一根只有几百纳米(一毫米的百万分之一)的细线组成，由微软量子和哥本哈根大学的Peter Krogstrup研发而来。这些被称为纳米线的材料在芯片上的两个金属导体之间会形成了一个自由浮动的连接。它们外层涂有超导材料，这种材料在非常低的温度下会失去所有的电阻。涂层一直延伸到金属丝一端的一个很小的部分，这构成了该装置的关键部分：接点。然后整个装置被暴露在磁场中。

根据科学家们的理论预测，Majorana零模式——他们正寻找的拓扑量子比特的基础——应该会在纳米线中出现。这种Majorana零模是一种奇怪的现象，因为它们最初一开始只是一种数学技巧，用于描述导线中的一个电子由两半组成。物理学家不认为这些电子是可以分裂的，但使用这种纳米线装置，应该可以分离出这种“半个电子”，并将它们用作量子比特。

Marco Valentini在成为纳米电子学组的博士生之前作为实习生加入了奥地利IST。“我们很高兴能在这个非常有前途的材料平台上工作。”他解释说：“我们期望看到的是纳米线中出现Majorana零模式的信号，但我们什么也没发现。首先我们感到困惑，然后觉得沮丧。最终，我们与来自马德里量子材料理论和固态量子技术小组的同事密切合作，我们一起检查了这个装置，并发现了问题的关键所在。”

一个假信号

在试图找到Majorana零模式的特征后，研究人员开始改变纳米线的装置，以检查其结构是否有任何影响干扰他们的实验。Valentini解释说：“我们在不同的装置上做了几次实验，以找出哪里出了问题。这花了我们一段时间，但当我们将未涂层结的长度从100纳米增加到200纳米时，我们找到了罪魁祸首。”

当结足够大时，会发生以下情况：暴露的内部纳米线形成所谓的量子点（一种微小的物质，由于其受限的几何形状会显示出特殊的量子力学性质）。然后，这个量子点中的电子可以与它旁边超导体涂层中的电子发生相互作用，从而模拟出“半个电子”的信号——科学家们正在寻找的Majorana零模式。

Valentini说：“我们建立了量子点如何在磁场中与超导体相互作用的理论模型，并将实验数据与马德里团队的博士生Fernando Peñaranda做的一个详细模拟进行比较之后，得出了这个意想不到的结论。”

Valentini警告说：“我们把这个模拟信号误认为Majorana零模式，这表明我们在做实验和结论时必须非常小心”。“虽然这似乎是寻找Majorana零模式的一个倒退，但它实际上是理解纳米线及其实验信号的关键一步。这一事件表明，国际同行的发现和批判性的审查周期对科学知识的进步至关重要。”（编译:Julien）